Loris Scola – CEA
Neutrinos sind wahrscheinlich die seltsamsten Teilchen, die wir kennen. Sie sind viel, viel leichter als jedes andere Teilchen mit Masse und interagieren nur über die schwache Kraft mit anderer Materie – was bedeutet, dass sie kaum jemals mit irgendetwas interagieren. Drei Arten (oder Geschmacksrichtungen) von Neutrinos wurden identifiziert, und jedes einzelne Teilchen hat keine feste Identität. Stattdessen kann es als Quantenüberlagerung aller drei Geschmacksrichtungen angesehen werden und wird zwischen diesen Identitäten oszillieren.
Als ob das alles nicht genug wäre, deutet eine Reihe seltsamer Messungen darauf hin, dass es eine vierte Art von Neutrinos geben könnte, die nicht einmal über die schwache Kraft interagieren, was es unmöglich macht, sie zu entdecken. Diese “sterilen Neutrinos” könnten möglicherweise die winzigen Massen der anderen Neutrinos sowie die Existenz dunkler Materie erklären, aber die ganze Sache “unmöglich zu entdecken” macht es schwierig, ihre Existenz direkt anzusprechen.
Die stärksten Hinweise auf ihre Anwesenheit kommen von seltsamen Messergebnissen in Experimenten mit anderen Neutrino-Flavours. Aber eine neue Studie schließt heute sterile Neutrinos als Erklärung für eine dieser Kuriositäten aus – selbst wenn sie bestätigt, dass die anomalen Ergebnisse real sind.
Das Unsichtbare erkennen
Wir können die Existenz von Teilchen auf zwei Arten nachweisen: Sie interagieren entweder direkt mit anderer Materie oder sie zerfallen in ein oder mehrere Teilchen, die dies tun. Das macht sterile Neutrinos nicht nachweisbar. Sie sind fundamentale Teilchen und sollten in nichts zerfallen. Sie interagieren auch nur über die Schwerkraft mit anderer Materie, und ihre geringen Massen machen eine Detektion auf diesem Weg unmöglich.
Stattdessen können wir sie möglicherweise über die Schwingungen von Neutrinos nachweisen. Sie können ein Experiment aufstellen, das eine bestimmte Art von Neutrinos mit einer bekannten Rate produziert, und dann versuchen, diese Neutrinos nachzuweisen. Wenn es sterile Neutrinos gibt, werden einige der von Ihnen produzierten Neutrinos in diese Identität oszillieren und daher unentdeckt bleiben. Sie messen also am Ende weniger Neutrinos als erwartet.
Genau das ist in Kernreaktoren passiert. Eines der Produkte eines radioaktiven Zerfalls (der durch die schwache Kraft angetrieben wird) ist ein Neutrino, daher produzieren Kernreaktoren große Mengen dieser Teilchen. Messungen mit in der Nähe platzierten Detektoren erfassten jedoch etwa 6 Prozent weniger Neutrinos als erwartet. Eine schnelle Oszillation in sterile Neutrinos könnte diese Diskrepanz erklären.
Aber diese Experimente sind wirklich schwierig. Neutrinos interagieren so selten mit Detektoren, dass nur ein winziger Bruchteil der produzierten registriert wird. Und Kernreaktoren sind unglaublich komplexe Umgebungen. Selbst wenn Sie mit einer reinen Probe eines einzelnen radioaktiven Isotops beginnen, verwandeln Zerfälle die Dinge schnell in eine komplizierte Mischung aus neuen Elementen, einige radioaktiv, andere nicht. Die freigesetzten Neutronen können auch die Reaktorausrüstung in neue Isotope umwandeln, die radioaktiv sein können. Daher ist es schwierig, genau zu wissen, wie viele Neutrinos Sie zu Beginn produzieren und welcher genaue Anteil der von Ihnen produzierten Neutrinos von Ihrem Detektor registriert wird.
Aus all diesen Gründen ist es schwierig, sicher zu sein, dass Anomalien bei Neutrinomessungen echt sind. Physiker neigen dazu, Anzeichen dafür, dass etwas Seltsames vor sich geht, abzuwarten.